劉光倫，陳 志，陳玲玲

（四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司第四研究所，四川 綿陽 621000）

衛(wèi)星通信系統(tǒng)是集天線與微波技術(shù)、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、數(shù)據(jù)采集及信號處理技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、精密機械設(shè)計技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)和機電一體化技術(shù)等多學(xué)科和多項技術(shù)有機結(jié)合的產(chǎn)物[1]。高精度天線跟蹤控制技術(shù)是實現(xiàn)高質(zhì)量衛(wèi)星通信的前提。最初的對星方式均是由人手動對星，后來隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了依靠自動控制技術(shù)進(jìn)行自動對星。目前無論是便攜站還是固定站的衛(wèi)星對星技術(shù)均基于衛(wèi)星信標(biāo)信號的方式，手段比較單一，在遇到衛(wèi)星上信標(biāo)信號比較弱或是沒有信標(biāo)信號時，基于信標(biāo)的跟蹤方式就無能為力了。本文討論的系統(tǒng)不僅可以用衛(wèi)星信標(biāo)信號來進(jìn)行自動對星，也能用衛(wèi)星上DVB電視信號來進(jìn)行自動對星，這樣控制系統(tǒng)就能應(yīng)用在沒有信標(biāo)信號或是衛(wèi)星信標(biāo)信號比較差（受干擾）的衛(wèi)星上。這種采用雙信號跟蹤的方式，解決了目前單一依靠信標(biāo)信號來進(jìn)行自動對星的問題，使對星方式更加靈活，不僅系統(tǒng)的可靠性更高，而且應(yīng)用的范圍也更廣。

1 控制部分原理設(shè)計

在整個系統(tǒng)中，伺服控制部分有著至關(guān)重要的作用，天線控制系統(tǒng)必須保證天線波束主軸準(zhǔn)確指向衛(wèi)星而且對準(zhǔn)衛(wèi)星的下行發(fā)射波束，通信系統(tǒng)才能夠正常工作。為達(dá)到這一目標(biāo)，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時除了在機械結(jié)構(gòu)、傳感器選擇、硬件設(shè)計方面應(yīng)充分考慮可能帶來的影響和精度誤差外，還必須設(shè)計合適的信號跟蹤方式以提高系統(tǒng)的指向精度[2]。

本系統(tǒng)通過將GPS、數(shù)字羅盤、天線控制器、執(zhí)行電機，結(jié)合信標(biāo)信號和DVB信號電平反饋形成系統(tǒng)大閉環(huán)控制，完成拋物面天線準(zhǔn)確對準(zhǔn)指定衛(wèi)星的發(fā)射波束。如圖1為整個伺服控制系統(tǒng)的硬件原理框圖。

圖1 伺服控制系統(tǒng)硬件原理框圖

對星控制裝置的工作原理為：在系統(tǒng)上電后首先通過電子羅盤獲取拋物面天線本身的姿態(tài)信息，然后通過GPS接收機獲取接收天線所在地的高度、經(jīng)度和緯度，再讀取E2PROM配置芯片里面的對星參數(shù)，E2PROM里的對星參數(shù)是通過手持端機把對星參數(shù)發(fā)送給主控單片機，由主控單片機把對星參數(shù)寫入E2PROM。單片機程序再根據(jù)這些數(shù)據(jù)信息計算出天線對準(zhǔn)該衛(wèi)星所需要的理論方位角、俯仰角和極化角。主控單片機先控制極化電機轉(zhuǎn)動相應(yīng)的極化角，然后通過RS-422發(fā)送指令給方位角控制單片機和俯仰角控制單片機轉(zhuǎn)動俯仰角和方位角到指定位置完成天線初始對準(zhǔn)。初始對準(zhǔn)完成后，主控單片機程序控制方位角和俯仰角電機在一個20°范圍內(nèi)進(jìn)行梯形掃描并開始搜索衛(wèi)星信號，此時信標(biāo)接收機和調(diào)諧器不斷輸出信號電平值到主控單片機進(jìn)行信號強度判斷。如果采用衛(wèi)星信標(biāo)信號對星則信標(biāo)接收機輸出對應(yīng)衛(wèi)星的信標(biāo)信號電平到主控單片機，如果采用DVB信號對星，則主控單片機讀取調(diào)諧器的信號電平值，一旦主控單片機接收到的電平值達(dá)到一個設(shè)定的閾值時，說明天線已進(jìn)入了衛(wèi)星的波束范圍。此時主控單片機程序進(jìn)入衛(wèi)星極大值定位程序，再分別控制方位角電機和俯仰角電機轉(zhuǎn)動使其達(dá)到信號最強的位置，即實現(xiàn)了天線對衛(wèi)星的精確對準(zhǔn)。在整個對星的過程中，手持終端實時地接收和顯示天線轉(zhuǎn)臺的當(dāng)前方位角、俯仰角以及信號強度值。

2 天線指向角計算

天線指向角就是根據(jù)衛(wèi)星位置信息、接收天線位置信息以及接收天線的姿態(tài)信息計算出極化角、俯仰角和方位角。主控單片機根據(jù)計算出的極化角、俯仰角和方位角來控制電機轉(zhuǎn)動天線到相應(yīng)位置，完成天線的粗對準(zhǔn)[3]。

考慮接收天線的方位角、俯仰角、傾斜角，所以地理坐標(biāo)系和載體坐標(biāo)系重合，接收天線指向衛(wèi)星的角度計算涉及到三個坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，如圖2所示。

圖2 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

假設(shè)地面接收天線的大地坐標(biāo)系即經(jīng)度、緯度、高度，表示為（L1，B1，H1），飛機的大地坐標(biāo)系即經(jīng)度、緯度、高度，表示為（L2，B2，H2）。由接收天線的大地坐標(biāo)系計算接收天線在地心直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為

由衛(wèi)星的大地坐標(biāo)系，計算衛(wèi)星在地心直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為

計算衛(wèi)星在接收天線的地理坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為

式中：T1是從地心直角坐標(biāo)系到地理坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。即

通過方位角和俯仰角的計算公式，得到接收天線的指向角。方位角公式為

接收天線指向飛機的向量為

由于俯仰角定義在[0°，90°]，和反正弦的主值區(qū)間相同，所以實際俯仰角就等于E，方位角定義在[0°，360°]，和反正切函數(shù)的主值區(qū)間不一致，故應(yīng)判斷實際方位角所在的象限（以逆時針為正）。

X1＞0，Z3＞0時，方位角 A=2π-A ；X1＞0，Z3＜0時，方位角A=-A；

X1＜0，Z3＞0時，方位角 A=π-A；X1＜0，Z3＜0時，方位角A=π-A。

為了達(dá)到好的接收效果，除調(diào)整天線的方位角和俯仰角外，還應(yīng)根據(jù)極化角的數(shù)值來調(diào)整饋源矩形波導(dǎo)口的方向，使得極化振子調(diào)整到與電磁波一致的方向，此時極化完全匹配與衛(wèi)星傳送來的極化，振子感應(yīng)的信號強度最大，接收效果最佳[4-5]。不同地理位置的接收天線其極化角也不同，令?1，θ1，?2分別表示接收天線的經(jīng)度、緯度和靜止衛(wèi)星的在軌經(jīng)度，則接收天線對準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星所需的理論極化角θ為

ρ為接收天線到衛(wèi)星的距離公式為

3 最大值定位算法設(shè)計

采用粗對準(zhǔn)算法能夠大致對準(zhǔn)衛(wèi)星所在的方向，但是還不能對準(zhǔn)衛(wèi)星發(fā)射信號波束，此時無論是衛(wèi)星信標(biāo)接收機的信標(biāo)電平值還是DVB調(diào)諧器輸出的信號電平值都是一個很低的值。此時在轉(zhuǎn)臺走到初始對準(zhǔn)位置后，以初始對準(zhǔn)位置為圓心，在一個很小的范圍內(nèi)進(jìn)行梯形掃描或十字掃描。在掃描的過程中，實時監(jiān)測DVB調(diào)諧器或信標(biāo)機輸出的信號電平值，如果輸出的信號電平值達(dá)了設(shè)定的閾值，則說明接收天線進(jìn)入了衛(wèi)星的發(fā)射波束，但此時，接收天線還沒有準(zhǔn)確對準(zhǔn)，信號電平值還不是最大值，最后再用最大值定位算法來找準(zhǔn)信標(biāo)電平的最大值或DVB調(diào)諧器輸出的信號最大值。最大值定位算法程序先進(jìn)行水平方向的最大值定位，再進(jìn)行俯仰方向最大值定位。圖3為最大值定位算法的基本原理。

圖3 最大值定位算法原理圖

最大值定位算法，主要思想是用前后兩次讀取到的信號電平值來決定轉(zhuǎn)臺走的方向和步進(jìn)電機走的步數(shù)。如果當(dāng)前讀出的電平值比前一次讀出的電平值高，說明還要繼續(xù)往前走才是信號最大值的位置，此時轉(zhuǎn)臺繼續(xù)往本次前進(jìn)的方向上走N步，走完后，讀取當(dāng)前的信號電平值，該電平值又與前一次的電平值進(jìn)行比較，如果此次的電平值還大于前一次的電平值則繼續(xù)往前走N步，否則，轉(zhuǎn)臺往回走K（K=N/2）步，以此類推，只要是往回走，走的步數(shù)都是上次所走步數(shù)的1/2，直到走的步數(shù)為0。此時，接收天線轉(zhuǎn)臺就停在信號電平最大值的位置。俯仰方向的最大值定位，再重復(fù)以上的步驟。經(jīng)過水平方向的最大值定位和俯仰方向的最大值定位后，接收天線就準(zhǔn)確對準(zhǔn)衛(wèi)星的發(fā)射波束。

4 實驗驗證

整個伺服系統(tǒng)在1.2 m的便攜式衛(wèi)星地面站上進(jìn)行了戶外的對星測試，圖4為對星測試的天線轉(zhuǎn)臺和對星測試控制軟件的主界面。

圖4 對星測試平臺和測試軟件界面（截圖）

伺服控制系統(tǒng)在不同地點、不同時間進(jìn)行了多次多顆衛(wèi)星的對星測試。每次進(jìn)行測試時，首先對每顆衛(wèi)星先進(jìn)行10次以上垂直極化的衛(wèi)星信標(biāo)信號對星，再進(jìn)行10次以上的水平極化的信標(biāo)信號對星，然后再進(jìn)行10次以上不同節(jié)目的DVB信號對星。判斷是否對準(zhǔn)衛(wèi)星發(fā)射波束的標(biāo)準(zhǔn)，一是通過便攜式頻譜儀進(jìn)行信標(biāo)信號的強度測量，二是通過衛(wèi)星上的電視節(jié)目清晰度和流暢性來直觀判斷。測試分別對亞洲3號、亞太5號、中星6A、亞太2R、亞太6號共5顆衛(wèi)星上的信標(biāo)信號和DVB信號進(jìn)行了對星測試，對星準(zhǔn)確率都達(dá)到了100%，實驗也充分證明在衛(wèi)星上沒有信標(biāo)信號的情況下或信標(biāo)信號被干擾的情況下，用衛(wèi)星上的DVB信號也能準(zhǔn)確對星[6]。

5 結(jié)論

本文提出的一種基于衛(wèi)星信標(biāo)信號和衛(wèi)星DVB信號的對星伺服控制系統(tǒng)，采用了信標(biāo)和DVB兩種對星方式，與傳統(tǒng)單一的對星方式不同，兩種對星方式互為補充，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，同時也拓寬了適用衛(wèi)星的范圍，既適用于有信標(biāo)信號的衛(wèi)星，也適用于沒有信標(biāo)信號的衛(wèi)星或是信標(biāo)信號被干擾的衛(wèi)星。系統(tǒng)經(jīng)過室外反復(fù)的對星測試，無論是采用信標(biāo)對星方式還是采用DVB對星方式，都能準(zhǔn)確地對準(zhǔn)衛(wèi)星波束而且找到信號電平最大值，達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。

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[1]曹志剛.移動衛(wèi)星通信天線自動跟蹤方法[D].重慶：重慶大學(xué)，2005.

[2]魏海濤.一種新型的便攜式衛(wèi)星通信地球站[D].南京：南京郵電大學(xué)，2006.

[3]孫興邦.衛(wèi)星天線自動跟蹤算法的研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2008.

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[6]申宇.移動衛(wèi)星電視接收伺服系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2006.